【神麻人智】神经胶质瘤患者在丙泊酚镇静过程中动态皮质的连接性

背景： 镇静过程中的行为表现与神经生理反应对理解脑部神经损伤后的功能变化具有重要意义，能够通过皮质功能进行描述。胶质瘤患者可能存在正常发育阶段无法检测到的潜在神经发育缺陷。本研究假设，与非神经胶质瘤患者相比，神经胶质瘤患者在皮质连接模式上存在显著差异。

方法： 本研究为对一项观察性研究的二次分析，研究对象包括计划在全身麻醉下接受幕上胶质瘤切除术(n=21)或非神经手术(n=21)的患者。依据警觉/镇静评估(OAA/S)评分，采集患者在不同镇静水平下的额脑电图(EEG)信号。通过核主成分分析(KPCA)和k^-均值聚类方法，从加权相位滞后指数特征中识别潜在的时间动态模式。

结果： 聚类分析识别出10种脑电图连接状态(76%一致性)，每种状态均具有独特特征。在OAA/S评分为3时，状态6(胶质瘤组：0.110 [0.083, 0.155] vs. 对照组：0.070 [0.030, 0.110]，P=0.008)和状态7(胶质瘤组：0.105 [0.083, 0.148] vs. 对照组：0.065 [0.038, 0.090]，P=0.001)均由beta波段连接构成，两组之间差异显著，反映了左右脑区域之间的beta波段功能连接差异。此外，大脑功能连接的瞬态动态特征也体现在不同亚稳态之间的过渡关系中。

结论： 在丙泊酚镇静过程中，神经胶质瘤患者与非神经胶质瘤患者的脑电图功能动态连接模式存在显著差异。

关键词： 脑电图，动态皮质连接性，监测，丙泊酚，神经胶质瘤

整个大脑的自发神经活动可以解析为离散的时空模式，模式可表现为一系列以复杂波动特征为主的瞬时亚稳态。根据动态核心理论和综合信息论，亚稳态反映了一种暂时的平衡状态，而非稳定的稳态，可能揭示神经生理模式的多样性。在麻醉过程中，大脑皮层的振荡模式会动态变化，从而维持不同状态下的大脑连接性。已有研究表明，在非神经外科患者中，麻醉药可以改变意识模式和神经功能，抑制某些神经状态或引发状态转变。此外，胶质瘤对周围健康脑组织的压迫和侵袭可能导致中枢神经系统中神经网络结构和功能的平衡受到影响。这种潜在的神经系统缺陷在镇静状态下可能进一步显现，并对临床治疗决策产生影响。

我们既往研究已探讨胶质瘤患者在镇静过程中脑电图(EEG)特征的组间差异，特别是在光谱特性和加权相位滞后指数(wPLI)连接性方面。然而，这些整体连接性的特征可能掩盖了随时间变化的动态细节。本研究通过描述动态连接性，进一步扩展了之前关于亚稳态的研究成果。尽管镇静期间胶质瘤的脑电特征和动态功能连接性已有分别研究，但仍存在一些未解的问题：功能连接性是否包括亚稳态特征在脑损伤患者中尚不明确；神经胶质瘤是否会导致麻醉下皮质连接动态模式的特异性改变尚未明确。为了解决上述问题，我们对20例幕上胶质瘤患者和20例非神经外科患者在目标控制丙泊酚注射下采集的额叶脑电图数据进行了重新分析。本研究旨在评估丙泊酚使用过程中胶质瘤患者的动态皮质特性，并假设胶质瘤患者在镇静过程中表现出由一系列亚稳态组成的动态脑功能连接性。此外，与健康脑相比，胶质瘤患者可能表现出亚稳态的发生频率和转移模式的显著差异，以及特定的动态连接模式。

方法

研究设计

本研究基于此前已发表的数据，进行二次分析。原始研究为前瞻性、单中心观察性研究，于2020年1月18日在ClinicalTrials.gov(NCT04365777)注册，并经中国研究临床试验伦理委员会(ChiECRCT20200002)批准。所有参与者在研究开始前均签署书面知情同意书。研究于2020年6月至2021年11月在首都医科大学北京天坛医院开展。完整的研究方法及初步结果详见相关文献。

研究人群

纳入标准为年龄18-60岁，美国麻醉学协会(ASA)分级为I或II，计划在全身麻醉下接受幕上胶质瘤切除术或非神经外科手术的患者。排除标准包括：左侧病变患者、肥胖患者、疑似困难气道、患有精神或神经系统疾病、严重心肺肾功能障碍、对静脉麻醉药过敏、正在服用镇痛剂或镇静剂，以及药物或酒精滥用史。

试验方法

在患者进入手术室后，使用无创监测设备连续监测生命体征，包括心电图、动脉压、脉搏血氧饱和度、体温和脑电图。患者在麻醉前闭眼清醒状态下记录3分钟基线脑电图，随后通过靶控注射泵(B. Braun，德国)逐步增加丙泊酚的浓度进行麻醉诱导，初始靶浓度为1.0 μg/mL，每次增加0.5 μg/mL。两名对丙泊酚使用情况不知情的麻醉医生独立评估患者的意识状态，使用警觉/镇静评估(OAA/S)量表进行评分。

OAA/S评分为3的患者仅在反复呼叫后可含糊应答；评分为1的患者对轻拍或推挤无反应。根据OAA/S评分3和1的条件，分别采集3分钟的脑电图数据，并验证评分的准确性。试验过程如图1所示。在整个研究期间，如发生呼吸抑制，立即使用面罩通气支持。

脑电图数据采集与预处理

使用SedLine脑功能监测器(Masimo Corporation, Irvine, CA)获取不同镇静水平下的额叶脑电图数据。清洁皮肤后，将自启动电极阵列放置于患者前额，通过Fp1、Fp2、F7和F8电极记录原始脑电图信号。采样频率为178 Hz，电极阻抗<5 kΩ。

将原始脑电图数据导入MATLAB中进行预处理。排除突发性伪影后，利用EEGLAB工具箱对信号进行0.5-35 Hz的带通滤波，确保数据质量以进行进一步分析。

脑功能依赖亚稳态的提取

原始特征提取

本研究采用额叶功能连接作为潜在亚稳态的原始特征。功能连接性通过加权相位滞后指数(wPLI)计算，该指标常用于通过固定相位偏移测量神经活动的同步性。在本研究中，我们利用Fp1-F7和Fp2-F8电极之间的wPLI值来代表左右脑的功能连接性。脑电图(EEG)信号被划分为6秒的时间段，时间段之间存在50%的重叠，以探索大脑活动的动态特征。每个时间段的功能连接性用一个118维向量表示，其中包含2对wPLI值和59个频率点，频率范围为1~30 Hz，频率分辨率为0.5 Hz。

特征降维

由于功能连接特征具有高维性，并且不同连接关系之间存在一定的相关性，我们使用降维方法替代原始的高维特征数据。核主成分分析(KPCA)是一种广泛应用于降维和特征提取的技术，它通过非线性核函数提高了对复杂关系的适配能力。在本研究中，我们采用带高斯核的KPCA方法，将原始118维向量降维至M维，确保关键特征得以保留，同时有效降低了计算复杂度。

聚类分析

k^-均值方法是一种高效的聚类算法，能够根据样本在特征空间中的分布位置识别潜在分类。在本研究中，我们利用k^-均值聚类算法，通过随机初始化每个聚类质心100次，以降低初始化选择对结果的影响。在基于欧几里得距离平方的基础上，k^-均值方法将患者的M维功能连接模式分组为多个亚稳态，每个聚类对应一种具有特定功能连接特征的动态脑活动状态。聚类结果的有效性受到聚类数量和保留主成分数量的影响。具体来说，我们将脑功能连接样本随机分为两组，分别使用相同参数进行独立聚类，从而生成两个分类模型。这两个模型被用于标记其他数据集，并通过比较集群标签的一致性评估模型的可靠性。一致性通过稳定性指数(SI)衡量，定义为100次实验中归一化的最小海明距离的平均值。当聚类结果具有实际意义时，稳定性指数会显著增加。

其中，N为分类数，s ip和s iq是簇i内独立样本的特征。一般来说，如果我们假设所有的集群都是有意义的，E样本应低于E聚类，可用于帮助证明聚类的有效性。

此外，脑电图(EEG)片段的持续时间是影响亚稳态异常脑功能连接提取的关键因素。较长的持续时间能够提高wPLI估计的准确性，而较短的持续时间则更适合探索大脑活动的细节模式。因此，为了验证6秒片段分类的一致性，我们将EEG信号重新划分为12秒片段，并对其进行分析。

大脑皮质连通性的动态模式

通过对脑电图亚稳态的精准分类，我们获取了不同镇静水平下每位参与者的连接状态时间序列。为了揭示这些时间序列的动态特性，我们分析了各状态的发生率及其之间的转移关系。发生率表示每种连接状态持续的时间占总时间的比例。在不同的OAA/S评分水平下，我们汇总了所有参与者的状态发生情况，并计算反映各组变化趋势的转移概率。最后，为探讨两组之间的差异，我们评估了每位患者状态转移的概率分布。

统计分析

正态分布的数据以均值±标准差表示，非正态分布的数据则以中位数(Q1，Q3)表示。分类变量以频数或百分比呈现。基于提取的功能性脑连接亚稳态，本研究重点分析了两组患者在不同镇静深度下稳态的发生频率及转移模式。为了评估状态之间的转换是否具有统计学意义，我们采用了以下替代数据分析方法：

1. 对每位患者的脑电图片段生成1000个替代序列，其中每种状态的发生率与实际数据一致。

2. 结合实际序列和替代序列，估算亚稳态之间的转移概率。

3. 通过将实际转移概率与替代序列概率进行对比，判断状态间转移是否显著。

所有统计检验均为双尾检验，显著性水平定义为P < 0.05，并采用假发现率(FDR)校正多重比较。

结果

每组最初各有21例患者参与了临床试验。在神经胶质瘤组中，1例患者因术前紧急使用镇痛药被排除；对照组中有1例患者因脑电图信号质量不佳而被排除。最终，共分析40例患者的数据。在胶质瘤组中，肿瘤平均尺寸为29.3±10.3 × 28.5±8.8 × 27.1±9.0 mm，无中线移位、临床明显水肿、颅内或穿刺出血等情况。在各个OAA/S评分水平下，患者的状态指数值相似，表明两组在镇静深度上的一致性。

为了从脑电信号中准确识别亚稳态，我们评估了不同参数组合下聚类算法的性能。KPCA主成分数量和预期分类数量对聚类稳定性的影响如图2A所示。基于稳定性指数的分析，确定8个主成分和10个聚类的超参数组合为潜在的最优设置，其在重复分类任务中的一致性达到了75.9±6.1%。对于不同分类目标的稳定性指数，聚类中的最小均方误差(MAE)和最大MAE如图2B所示。随着聚类数量的增加，E聚类在10类时出现了转折点，而Esample保持相对稳定。当k^-均值算法区分亚稳态时，10个状态的E聚类达到0.079，而另一个类别的E聚类下降至0.011。特别是，当分类数量超过10时，E聚类首次低于Esample，表明聚类方案在10类时具有更高的适宜性。综上所述，基于稳定性指数和相似性分析，提取亚稳态的最优方法为8个主成分和10个聚类的组合。

亚稳态提取结果

基于8个主成分和10个聚类的亚稳态提取结果如图2C所示。每个聚类代表一个独特的亚稳态，其特征为不同光谱特征的功能连接模式：

状态1和状态2由低频连通性主导；

状态4和状态5以α(alpha)连通性为主；

状态6、7、8和9则由β(beta)连通性主导；

状态3在大脑两侧均显示出显著的α连通性；

状态10的特点是在整个频率范围内的wPLI水平较低，且无显著主导频带。

为了验证脑功能连接亚稳态的提取有效性，我们对6秒脑电图片段和12秒片段分别进行了独立的聚类分析。两种时间段均识别出相似的亚稳态，这表明将脑电图划分为6秒段是合理且可靠的。

大脑皮质连接性的动态模式

图3A显示了不同浓度下神经胶质瘤组和对照组在OAA/S评分的发生率比较。所有参与者都经历了描述的各个状态，且不是少数患者所特有。在清醒(OAA/S = 5)和无意识(OAA/S = 1)期间，每个状态的发生率在胶质瘤组和对照组之间是一致的。在镇静状态下(OAA/S = 3)，状态6(胶质瘤组，0.110 [0.083, 0.155]，对照组，0.070 [0.030, 0.110]；P = 0.008)和状态7(胶质瘤组，0.105 [0.083, 0.148]，对照组，0.065 [0.038, 0.090]；P = 0.001)两组之间存在显著性差异。这些结果表明，神经胶质瘤组在镇静期间仍处于可能由β波活动主导的状态。

此外，状态序列的时间动态特征也反映了连接状态之间过渡关系的变化。正如图3B所示，状态之间的转换分布是不均匀的，蓝色箭头表示的转换发生频率显著高于随机发生的概率(P < 0.05)。除了类似的过渡关系外，胶质瘤组和对照组在某些状态之间的转换概率也有所不同。在OAA/S = 3时，神经胶质瘤患者的脑连接性更容易从状态4转变为状态7(胶质瘤组概率，0.200 [0, 0.250]；对照组概率，0 [0, 0.111]；P = 0.004)，而非神经外科患者的连接性则倾向于从状态7转变为状态3(胶质瘤组概率，0 [0, 0.111]；对照组概率，0.067 [0, 0.167]；P = 0.019)。在无意识状态下(OAA/S = 1)，胶质瘤组的功能连接性更倾向于从状态10转移到状态8(胶质瘤组概率，0.143 [0, 0.250]；对照组概率，0 [0, 0.111]；P = 0.034)，而对照组则更可能从状态8转移到状态10(胶质瘤组概率，0 [0, 0]；对照组概率，0.2 [0, 0.222]；P = 0.007)，或从状态10转移到状态4(胶质瘤组概率，0 [0, 0]；对照组概率，0.111 [0, 0.222]；P = 0.006)。

讨论

本研究评估了神经胶质瘤患者与对照组在丙泊酚镇静期间的额叶皮质连通性。结果显示，两组患者在不同的OAA/S评分水平下均表现出一系列短暂且稳定的连接状态。两组之间的亚稳态差异反映了不同的连接模式变化。特别是在OAA/S = 3时，神经胶质瘤组的患者在β波段活动状态中的持续时间较长，且在丙泊酚镇静期间，神经胶质瘤患者更有可能转变为β波段主导的状态。综上所述，通过分析脑电图功能连接的动态细节，神经胶质瘤患者的脑状态在镇静过程中可能会发生特征性的改变。

额叶功能连接的动态分析为右额叶胶质瘤患者在丙泊酚镇静期间提供了可能的神经生理模式。额叶是参与运动规划和控制的关键脑区，右侧额叶胶质瘤患者的运动前区和执行控制网络的结构与功能模式发生了改变，这也可以通过运动不协调和难以执行复杂运动任务的临床表现得到体现。额叶区域的这些变化可能会影响功能连接，并且这种变化可以反映在β波段活动中。我们小组的前期研究表明，缓慢浸润的低级别神经胶质瘤患者在GABA介导的镇静后可能会出现病情恶化，而这种变化在没有镇静的情况下并不明显。

在OAA/S = 3时，胶质瘤组患者在β波段的功能连接主导状态(如状态6和7)显著更为普遍，这可能反映了胶质瘤对运动相关神经网络的影响。相反，在丙泊酚低剂量镇静下，可能会出现矛盾性的觉醒表现，诸如四肢自发性运动、易怒或四肢运动障碍等，这些变化可能反映在β波段活动的波动中，且随着前异丙酚剂量的增加而逐渐消失，这与GABAA受体亚型的抗焦虑作用可能相关。虽然这些差异没有达到统计学显著性，但与对照组相比，胶质瘤组患者在不同的OAA/S水平下，表现出更显著的β波段功能连接的优势状态的趋势，反映了镇静过程中功能连接的独特变化。

神经胶质瘤患者在丙泊酚镇静治疗期间的动态连通性分析揭示了新的发现。无论是在OAA/S = 3还是OAA/S = 1时，胶质瘤组患者更有可能转向以β波段功能连接为主的状态。在OAA/S = 1时，胶质瘤组的功能连通性倾向于从低wPLI的左右脑平衡状态(状态10)转变为不平衡的β波段状态(状态8)。这一转变可能表明神经功能缺损的存在，且该状态在丙泊酚浓度增加后不会消失。此外，考虑到与麻醉相关的持续概率和较高的wPLI值，α波段的额叶功能连接表现出更强的稳定性。

在对照组中，我们观察到丙泊酚镇静期间表现出更多样化的转变。特别是，与胶质瘤组相比，对照组更多地转向α波段主导的状态(状态4)。这些发现可能表明，在对照组中，丙泊酚镇静保持了更“纯粹”的状态，未受胶质瘤相关脑功能缺损的影响。

 结论

总之，我们研究额叶幕上胶质瘤患者在不同镇静水平下的动态功能连接模式。通过丙泊酚镇静处理，神经外科患者在连接状态上的变化与对照组有所不同，尤其是在贝塔波段(Beta band)。这一差异可能与镇静剂对大脑功能网络的抑制作用有关，为进一步研究脑功能在不同镇静状态下的变化提供了新的视角。